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内存管理的主要工作就是对物理内存进行组织，然后对物理内存的分配和回收。但是Linux引入了虚拟地址的概念。

虚拟地址的作用

【资料图】

如果用户进程直接操作物理地址会有以下的坏处：

1、 用户进程可以直接操作内核对应的内存，破坏内核运行。

2、 用户进程也会破坏其他进程的运行

CPU 中寄存器中存储的是逻辑地址，需要进行映射才能转化为对应的物理地址，然后获取对应的内存。

通过引入逻辑地址，每个进程都拥有单独的逻辑地址范围。

当进程申请内存的时候，会为其分配逻辑地址和物理地址，并将逻辑地址和物理地址做一个映射。

1、物理内存

物理内存的组织

Linux 中内存分为 3 个级别，从下到上依次为：

1、Page： 一个 page 的大小为 4k， Page 是内存的一个最基本的单位。

2、Zone： Zone 中提供了多个队列来管理 page。

Zone分为 3 种

2.1、 ZONE_DMA：用来存放 DMA 读取 IO 设备的数据，内核专用

2.2、 ZONE_NORMAL：用来存放内核的相关数据，内核专用

2.3、 ZONE_HIGHMEM：高端内存，用来存放用户进程数据

3、Node 节点，一个 CPU 对应着一个 Node，一个 Node 包括一个 Zone_DMA、 ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM。

物理内存的分配

Linux将内存分配分为两种：

当请求 (2i-1 ,2i] 大小的 page 的时候，会直接请求 2i 个页， 如果对应的链表中有对应的页块，就直接分配。如果对应的链表没有，就往上找 2i+1，如果 2i+1 存在，就将其分为 2 个 2i 页块，将其中 1 个 2i 加入到对应的链表中，将另外一个分配出去。

2、如何组织虚拟地址

用户态结构

内核态结构

Linux 的内核程序共用一个内核态虚拟空间。其中分为了以下几部分：

1、直接映射区

896M，内核空间直接映射到对应的ZONE_DMA和ZONE_NORMAL中。为什么叫做直接映射呢？逻辑地址 直接 减去对应的差值就可以得到对应的物理地址。固定死了。

2、动态映射

动态映射分为三种：

3、如何将虚拟地址映射到物理内存

页表映射

映射流程图

用户态申请内存时，只会申请对应的虚拟地址，不会直接为其分配物理内存，而是等到真正访问内存的时候，产生缺页中断，然后内核才会为其分配，然后为其建立映射，也就是建立对应的页表项。

TLB

TLB 就是一个缓存，放在 CPU 中。用来将虚拟地址和对应的物理地址进行缓存。当查询对应的物理地址的时候，首先查询 TLB，如果TLB中存在对应的记录，就直接返回。如果不存在，就再去查询页表。

虚拟内存

虚拟内存 指的是 将硬盘中划出一段 swap 分区 当作 虚拟的内存，用来存放内存中暂时用不到的内存页，等到需要的时候再从 swap 分区中 将对应的内存页调入到 内存中。硬盘此时相当于一个虚拟的内存。

从逻辑上能够运行更大内存的程序，因为程序运行的时候并不需要把所有数据都加载到内存中，只需要将当前运行必要的相关程序和数据加载到内存中就可以了，当需要其他数据和程序的时候，再将其调入。

相较于真正的内存加载，虚拟内存需要将数据在内存和磁盘中不断切换，这是一个耗时的操作，所以速度比不上真正的内存加载。

总结

虚拟空间 和 物理内存 都分为 内核空间 和 用户空间。

虚拟地址需要通过页表转化为物理地址，然后才能访问。

用户虚拟空间 只能映射 物理内存中的用户内存，无法映射到物理内存中的内核内存，也就是说，用户进程只能操作用户内存。

内核空间 只能被 内核 申请使用，用户进程只能操作用户空间的物理内存和虚拟空间。

当用户进程 调用系统调用的时候，会将其对应的代码和数据运行在内核空间中。

原文：

https://kernel.0voice.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1769&extra=

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